Инструментальные средства исследования плотности и состава верхних слоёв атмосферы для микро- и наноспутников тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Аль-Кадими Али Нури Мохаммед

• Аль-Кадими Али Нури Мохаммед
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Аль-Кадими Али Нури Мохаммед

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ И МЕТОДЫ ЕЁ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Современные представления о строении земной атмосферы

1.1.1. Общее строение земной атмосферы

1.1.2. Состав и физико-химические процессы в верхних слоях атмосферы

1.2. Методы экспериментального исследования состава и

физических процессов в верхних слоях земной атмосферы

1.2.1. Исследования с помощью стратосферных шаров-зондов

1 .2.2. Исследования по наблюдению и зондированию серебристых

облаков

1.2.3. Исследования полярных сияний

1.2.4. Исследования по наблюдениям метеоров

1.2.5. Инструментальные исследования с помощью геофизических

ракет и искусственных спутников Земли

1.3. Задачи построения модели ионосферы

1.4. Современное состояние средств измерения высокого вакуума

1.4.1. Основные разновидности первичных вакуумметрических преобразователей и области их применения

1.4.2. Магнитные ионизационные вакуумметрические преобразователи

с холодным катодом

1.5. Цель и задачи диссертационной работы

Выводы по первой главе

Глава 2. ВАКУУММЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОГО МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ДАТЧИКА ПЛОТНОСТИ И СОСТАВА ВЕРХНИХ СЛОЁВ АТМОСФЕРЫ

2.1. Физические условия работы вакуумметрического преобразователя

2.2. Физические процессы в вакуумметрическом инверсно-магнетронном преобразователе

2.2.1. Ударная ионизация нейтральных атомов и молекул электронами

2.2.2. Дрейф и энергия заряженных частиц в слабо ионизированном

газе в постоянном электрическом поле

2.2.3. Движение заряженных частиц в постоянном однородном магнитном поле

2.2.4. Движение заряженной частицы в скрещенных электрическом

и магнитном полях

2.2.5. Электрическое поле при цилиндрической коаксиальной конструкции электродов

2.2.6. Эмиссия электронов из твердых тел

2.3. Расчет электрофизических процессов в инверсно-магнетронном вакуумметрическом преобразователе

2.3.1. Конструкция модернизированного инверсно-магнетронного вакуумметрического преобразователя

2.3.2. Расчет электрического поля в рабочей зоне преобразователя

2.3.3. Конфигурация магнитного поля в рабочей зоне преобразователя

2.3.4. Расчет энергий свободных электронов, скорости дрейфа и радиусов циклотронных орбит

2.4. Расчёт процессов ионизации

2.5. Направления дальнейшего совершенствования вакуумметрического преобразователя

2.6. Наземные испытания прототипного образца вакуумметрического преобразователя и расчёт диапазона вариации его тока

Выводы по второй главе

Глава 3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕЩЁННОГО ПЕРВИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛОТНОСТИ И СОСТАВА ВЕРХНИХ СЛОЁВ АТМОСФЕРЫ

3.1. Физическое обоснование концепции построения совмещённого первичного преобразователя для исследования состава верхних

слоёв атмосферы

3.2. Разработка математической модели совмещённого

преобразователя для исследования плотности и состава верхних слоёв атмосферы

3.2.1. Примерная конструкция совмещённого преобразователя

3.2.2. Макроскопическая математическая модель ловушки заряженных частиц

3.3. Расчёт электрических полей ловушки заряженных частиц для конструкции с чередующимися коническими электродами

3.4. Расчёт предельных энергий электронов, протонов и ионов, улавливаемых ловушкой

3.5. Дальнейшее развитие конструкции датчика плотности и состава верхних слоёв атмосферы

Выводы по третьей главе

Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЁТ СОВМЕЩЁННОГО ДАТЧИКА ПЛОТНОСТИ И СОСТАВА ВЕРХНИХ СЛОЁВ

АТМОСФЕРЫ

4.1. Расчет токов измерительных каналов электронно-ионной ловушки

4.1.1. Исследуемая конструкция совмещенного датчика плотности

и состава верхних слоев атмосферы

4.1.2. Расчет токов электронно-ионной ловушки

4.2. Конструкция совмещенного датчика плотности и состава верхних слоев атмосферы

4.3. Описание работы датчика плотности и состава верхних слоев атмосферы

Выводы по четвертой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Инструментальные средства исследования плотности и состава верхних слоёв атмосферы для микро- и наноспутников»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Измерение плотности и состава земной атмосферы имеет исключительно важное значение для разработки локальных и глобальных математических моделей сложных процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы под действием солнечной и галактической радиации, для прогнозирования дальнейшего развития глобальной экосистемы Земли, её взаимодействия с солнечным излучением и ближним космосом и оценки антропогенное воздействие на неё, а также для дальнейшего освоения ближнего космоса, который всё теснее вовлекается в хозяйственную деятельность человека^].

Однако, прямыми измерениями плотность и состав земной атмосферы исследовались лишь до высот 30-70 км, т. е. в пределах тропосферы и стратосферы, с помощью аппаратуры, устанавливаемой на высотных самолётах, стратосферных шарах-зондах и геофизических ракетах. На высотах до 20 км для измерения атмосферного давления (плотности воздуха) успешно использовались деформационные манометры, на высотах до 50-70 км - теплоэлектрические вакуумметры [3-4]. А для измерения состава воздуха на этих высотах - спектрометрические приборы. Но на больших высотах - до 500 км, где давление становится менее 1 Па, теплоэлектрические вакуумметры (не говоря уже о деформационных) непригодны, а использовать ионизационные вакуумметры затруднительно, поскольку на таких высотах уже велика концентрация заряженных частиц (электронов, ионов и протонов), что может привести к большим (многократным) искажениям их показаний. Из-за низкой плотности воздуха на таких высотах становятся неэффективными и спектрометрические методы анализа состава воздуха [5]. В то же время именно на этих высотах под действием ультрафиолетовой, рентгеновской и гамма-составляющих солнечного излучения происходят жизненно важ-

ные процессы, связанные с ионизацией молекул кислорода и азота, их диссоциацией и появлением атомарных ионов, воздействием солнечного ветра (протонно-электронной плазмы) на магнитосферу Земли и верхние слои атмосферы. Следствием ионизации атомов и молекул воздуха является появление в ионосфере значительной концентрации свободных электронов и ионов, а поскольку ионосферная плазма находится в геомагнитном поле, то электроны и ионы закручиваются им, совершая циклотронные вращения вдоль силовых линий геомагнитного поля, а само геомагнитное поле под воздействием солнечного ветра (про-тонно-электронной плазмы) деформируется и претерпевает сильные вариации в зависимости от солнечной активности. Все эти процессы зависят от множества факторов, влияние которых пока слабо изучено именно из-за недостаточной эффективности существующих инструментальных средств исследования.

Структура ионосферы претерпевает суточные, сезонные и солнечноцикло-вые изменения. В ней протекают значительные ионосферные электрические токи и волновые процессы. Регистрация этих изменений, построение зависимостей концентрации нейтральных и заряженных частиц (электронов, протонов и ионов различных видов) от высоты, широты и долготы местности, времени суток, времени года, солнечной активности и других факторов чрезвычайно важны для построения локальных и глобальных моделей состояния верхних слоев атмосферы и более глубокого понимания происходящих в них процессов. Вот почему столь важны прямые инструментальные исследования плотности и состава атмосферы на этих высотах, проводимые с помощью научной аппаратуры, размещаемой на пилотируемых и беспилотных искусственных спутниках Земли (ИСЗ). Но орбиты стационарных ИСЗ располагаются на высотах свыше 350-400 км, а высоты от 80 до 400 км, где как раз и происходят наиболее важные процессы взаимодействия атмосферы с солнечным и галактическим излучением, оказались наименее исследованными. Поэтому именно на этих высотах важную роль в исследовани-

ях может сыграть аппаратура, размещаемая на микро- и наноспутниках, запускаемых с международной космической станции (МКС) или с борта геофизических ракет, и в течение нескольких месяцев вращающихся вокруг Земли по постепенно снижающимся орбитам [6-7]. Однако, использовать для этих целей существующие промышленные ионизационные вакуумметрические датчики не представляется возможным в силу целого ряда причин: значительные массогабарит-ные характеристики и мощность, потребляемая от источника электропитания, низкая механическая прочность и недостаточная устойчивость к вибрациям всех ионизационных первичных преобразователей с горячим катодом. Но самой важной проблемой, несомненно, является влияние заряженных частиц на показания этих датчиков в условиях ионосферы [8].

Научно-техническая задача разработки комбинированного многофункционального датчика плотности и состава верхних слоёв атмосферы, размещаемого на наноспутниках и пригодного для длительного автономного функционирования, является весьма актуальной.

В данной диссертационной работе описываются основные направления модернизации инверсно-магнетронного преобразователя, позволяющие устранить указанные недостатки промышленных ионизационных вакуумметров, проводится анализ происходящих в нём процессов ионизации нейтральных атомов и молекул электронами, разгоняемыми в скрещённых электрическом и магнитном полях и разрабатывается математическая модель этих процессов. А чтобы исключить искажения его показания из-за значительной концентрации заряженных частиц в ионосфере перед входом в активную зону преобразователя устанавливается электронно-ионная ловушка. В этом случае показания ионизационного датчика будут корректными, т. к. ионный ток датчика будет определяться лишь концентрацией нейтральных атомов и молекул, а гамма-излучение, от которого ловушка не защищает и интенсивность которого на этих высотах существенно

выше, чем у поверхности Земли, будет лишь облегчать зажигание разряда в рабочей зоне датчика, не влияя на его показания. При этом ловушка заряженных частиц позволит не только повысить достоверность показаний вакуумметриче-ского преобразователя, но и определять концентрацию отрицательно заряженных частиц (в основном электронов) и положительно заряженных частиц: ионов и протон.

Степень научной разработанности проблемы. До настоящего времени прямые инструментальные исследования плотности и состава верхних слоев атмосферы на высотах 150-500 км не проводились, использовались лишь косвенные методы с применением наземной аппаратуры. Это связано, во-первых, с тем, что орбиты стационарные спутники размещаются на высотах свыше 400 км, а во-вторых, с отсутствием аппаратуры, пригодной для размещения на беспилотных микро- и наноспутниках, которые бодучи запущены со стационарных спутников или с геофизических ракет, в течение нескольких месяцев вращаются по постепенно снижающимся орбитам. Но аппаратуры, пригодной для размещения на таких спутниках и способной к автономному функционированию в условиях ионосферы пока нет, и даже не найдено попыток ее разработки.

Целью диссертационной работы является разработка многофункционального датчика, позволяющего раздельно контролировать концентрацию нейтральных атомов и молекул атмосферных газов и заряженных частиц, путем исследования электрофизических процессов в инверсно-магнетронном вакуум-метрическом преобразователе, применительно к эксплуатации на малых космических аппаратах с исключением влияния на его работу заряженных частиц с помощью встраиваемой в него электронно-ионной ловушки.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:

1. Разработка математической модели электрофизических процессов, происходящих в вакуумметрическом ионизационном преобразователе и оптимизация на её основе конструктивных параметров преобразователя и режимов его работы в необходимом диапазоне измеряемых давлений, при минимизации потребляемой мощности от источника электропитания в условиях автономного функционирования на малых космических аппаратах.

2. Разработка принципиальной конструкции электронной ловушки заряженных частиц для вакуумметрического преобразователя и математической модели её функционирования с учётом реального диапазона энергий заряженных частиц в верхних слоях атмосферы.

3. Оптимизация конструктивных параметров электронной ловушки заряженных частиц на основе её математического моделирования.

4. Разработка общей конструкции и структуры комбинированного многофункционального датчика плотности и состава верхних слоёв атмосферы.

5. Экспериментальные исследования прототипной модели многофункционального датчика плотности и состава верхних слоёв атмосферы в вакуумной камере в наземных условиях.

Объект исследования. Объектом исследования являются физические процессы, происходящие в верхних слоях атмосферы.

Предмет исследования. Предметом исследования является разработка теоретических основ, моделирование, расчёт характеристик и наземные экспериментальные исследования прототипной модели многофункционального датчика плотности и состава верхних слоёв атмосферы, пригодного для автономного функционирования в составе микро- и наноспутников.

Научная новизна результатов работы. В рамках диссертационной работы были получены следующие основные результаты, обладающие научной новизной:

1. Впервые проведено математическое моделирование физических процессов, происходящих в активной зоне вакуумметрического инверсно -магнетронного преобразователя с оптимизацией его характеристик в условиях функционирования в составе комбинированного датчика плотности и состава верхних слоев атмосферы.

2. Впервые предложено дополнить вакуумметрический ионизационный преобразователь электронно-ионной ловушкой с целью устранения некорректности его показаний в условиях ионосферы из-за попадания в его активную зону заряженных частиц из внешней среды с измерением токов положительных и отрицательных электродов ловушки.

3. Предложено две оригинальных конструкции электронно-ионной ловушки и проведен расчет возможных диапазонов токов, снимаемых с ее электродов, на высотах 150-500 км.

Степень достоверности научных положений, теоретических выводов и практических результатов диссертационной работы.

Все положения диссертации строго обоснованы, сопровождаются соответствующими теоретическими исследованиями, математическими выкладками и имеют экспериментальное подтверждение качества их работы.

Достоверность полученных результатов основывается на использовании достоверных теоретических положений физики газового разряда в перекрестных электрическом и магнитном полях, имеющихся общих сведений о составе и строении верхних слоев атмосферы, на применении адекватных аналитических и численных методов моделирования электрических и магнитных полей и физических процессов, происходящих в активной зоне вакуумметрического преобразо-

вателя и в электронно-ионной ловушке, а также на результатах экспериментальных исследований модели датчика, проведенных в наземных условиях в вакуумной камере.

Работоспособность практических результатов работы подтверждена их использованием при оснащении научной аппаратурой серии наноспутников, разрабатываемых в Юго-Западном государственном университете.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы состоит в детальной разработке математических моделей физических процессов, протекающих в активной зоне ваку-умметрического инверсно-магнетронного преобразователя и в электронно-ионной ловушке комбинированного датчика плотности и состава верхних слоёв атмосферы.

Практическое значение работы состоит в разработке методик расчёта токов вакуумметрического преобразователя и электронно-ионной ловушки на высотах 150-500 км, что позволило определить исходные данные для проектирования комбинированного датчика плотности и состава верхних слоёв атмосферы, пригодного для автономного функционирования на микро- и наноспутниках, и основные условия его функционирования, обеспечивающие экономию потребляемых энергоресурсов.

Результаты работы использованы при оснащении научной аппаратурой серии наноспутников Юго-Западного государственного университета и применяются в образовательном процессе кафедры космического приборостроения и систем связи Юго-Западного государственного университета, что подтверждено соответствующими справками.

Содержание диссертации соответствует паспорту научной специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, а именно пункту 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», пункту 2 «Разработка и оптимизация методов расчёта и проектирования элементов, средств, приборов и систем аналитического и неразрушающего контроля с учётом особенностей объектов контроля» и пункту 4 «Разработка методического, технического, приборного и информационного обеспечения для локальных, региональных и глобальных систем экологического мониторинга природных и техногенных объектов».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель физических процессов в активной зоне вакуум-метрического инверсно-магнетронного преобразователя позволяет оптимизировать величину его анодного напряжения при максимизации коэффициента преобразования в диапазоне давлений 10-3-10-6 Па.

2. Комплексирование вакуумметрического преобразователя с электронно -ионной ловушкой позволяет устранить влияние заряженных частиц внешней среды на показания вакуумметрического датчика.

3. Использование измерения токов положительных и отрицательных частиц, собираемых на электродах электронно-ионной ловушки, позволяет определить концентрации этих частиц в ионосфере на разных высотах.

Апробация работы. Основные теоретические положения и научные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на международных и всероссийских конференциях: International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICI-EAM), 2020; IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020; Inter-

national Conference on Industrial Engineering, IEEE, 2020; International Russian Automation Conference (RusAutoCon), 2020; 14 International Scientific Conference Science and Society (SCIEURO), 2019; 2 International Scientific Conference of Al-Ayen University, (ISCAU - 2020), 2020; Инновационные информационные и коммуникационные технологии. Сочи, 2018, 2019, 2020; Инфокоммуникации и космические технологии: состояние, проблемы и пути решения. Курск, 2019; Техно-сферная безопасность - 2019: современные реалии, Москва, 2019 и на научно-технических семинарах кафедры космического приборостроения и систем связи ЮЗГУ (Курск - 2017-2021) и другие.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 научных работ, в том числе 3 статьи в научных рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК, 7 публикаций в изданиях, индексируемых в международных наукометрических базах Scopus и в Web of Sciens.

Личный вклад автора в получение результатов, изложенных в диссертации. Все результаты диссертационной работы принадлежат автору лично. Написанные соискателем, но опубликованные с соавторами, работы базируются на полученных лично соискателем расчётных и экспериментальных результатах. Участие соавторов сводится к методическим консультациям.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературных источников из 101 наименования. Диссертация содержит 177 страницы машинописного текста, включая 31 рисунок, 26 таблиц.

ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ И МЕТОДЫ

ЕЁ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Современные представления о строении земной атмосферы

1.1.1. Общее строение земной атмосферы

Атмосфера - это газовая оболочка Земли с содержащимися в ней аэрозольными частицами, движущимися вместе с Землей в мировом пространстве как единое целое и одновременно принимающая участие во вращении Земли. Когда 4,5 миллиарда лет назад формировалась наша планета, то, по всей видимости, она была лишена атмосферы. Атмосфера была сформирована в результате вулканических выбросов водяного пара с примесями диоксида углерода, азота и других химических веществ из недр молодой планеты. Но атмосфера может содержать в себе ограниченное количество влаги, поэтому ее избыток в результате конденсации дал начало океанам. Но тогда атмосфера была лишена кислорода. Первые живые организмы, зародившиеся и развившиеся в океане, в результате реакции фотосинтеза стали выделять кислород:

H2O + Ш2 = CH2O + O2 .

Формирование кислорода в атмосфере Земли привело к образованию озонового слоя на высотах примерно 8 - 30 км. И, тем самым, наша планета приобрела защиту от губительного воздействия ультрафиолетового изучения. Это обстоятельство послужило толчком для дальнейшей эволюции жизненных форм на Земле, т. к. в результате усиления фотосинтеза количество кислорода в атмосфере стало стремительно расти, что способствовало формированию и поддержанию жизненных форм с продвижением их на сушу.

Сегодня наша атмосфера на 78,1% состоит из азота, на 21% из кислорода, на 0,9% из аргона, на 0,04% из диоксида углерода. Совсем малые доли по сравнению с основными газами составляют неон, гелий, метан, криптон [9-10].

На частицы газа, содержащиеся в атмосфере, действует сила притяжения Земли. А учитывая то, что воздух сжимаем, то его плотность с высотой постепенно убывает, переходя в космическое пространство без четкой границы. Половина всей массы земной атмосферы сосредоточена в нижних 5 км, три четверти -в нижних 10 км, девять десятых - в нижних 20 км. 99 % массы атмосферы Земли сосредоточено ниже высоты 30 км, а это всего 0,5 % экваториального радиуса нашей планеты [11].

На уровне моря число атомов и молекул на кубический сантиметр воздуха

19 7

составляет около 2-10 , на высоте 600 км всего 2 -10 . На уровне моря атом или молекула пролетает примерно 7-10-6 см, прежде чем столкнуться с другой частицей. На высоте 600 км это расстояние составляет около 10 км. Но не только давление меняется с высотой. Меняется и температура, причём в разных слоях атмосферы она может и убывать с ростом высоты, и расти. В зависимости от состава, температуры и процессов, происходящих в атмосфере, её принято делить на ряд слоёв - сфер, а границы между ними называют паузами. Общее строение атмосферы представлено на рисунке 1.1 [12, 13].

Самый нижний слой - тропосфера - характеризуется постепенным уменьшением температуры с высотой. Он простирается от поверхности Земли до средней высоты около 12 км, хотя эта высота на самом деле колеблется от 9 км на полюсах до 17 км на экваторе. Именно в тропосфере происходит формирование погоды. Верхняя граница тропосферы - тропопауза - расположена на высоте 17-18 км. Температура на этой высоте достигает первого минимума и составляет примерно 210 К (~ - 600 С). Температура в тропосфере с высотой понижается адиабатически, т. е. изменение температуры происходит вследствие убывания

давления с высотой. Температурный профиль тропосферы во многом обусловлен поступающей к поверхности Земли солнечной радиацией. В результате нагрева поверхности Земли Солнцем формируются конвективные и турбулентные потоки, направленные верх, которые и формируют погоду.

Рис. 1.1. Общее строение атмосферы

Далее до высоты в 50 км расположена стратосфера. Стратосфера - второй по массе слой атмосферы Земли. Он лежит над тропосферой и отделен от неё тропопаузой. В стратосфере температура воздуха плавно нарастает с высотой, достигая максимума (примерно 270 К) на уровне стратопаузы (50 км). Такой рост температуры обусловлен взаимодействием ультрафиолетового излучения с озоновым слоем, который располагается как раз в стратосфере. Озоновый слой начинается на высотах около 8 км над полюсами и 17 км над экватором и содержит большое количество озона 03. Стратосфера также влияет на погоду, хотя эти

связи пока недостаточно изучены. В стратосфере резко уменьшается количество водяного пара, зато растёт содержание озона. Таким образом, формируется очевидный контраст между влажной и бедной на озон тропосферой и сухой, но зато богатой на озон стратосферой. Стратосфера вместе с тропосферой составляет 99,9 % нашей атмосферы. Атмосферное давление в верхней части стратосферы составляет примерно 1/1000 давления на уровне моря. По составу воздуха атмосфера на высотах от 0 до 70 км остаётся однородной и состоит в основном из молекулярных азота (N2 - 78 %) и кислорода - 21 %). По этой причине атмосферу до высоты в 70 км называют гомосферой [14, 15].

Следующий слой называется мезосферой с границей - мезопаузой - на высоте 85 км. Температура воздуха в мезосфере вновь плавно понижается и на высоте 85 км достигает второго (более глубокого) минимума - примерно 180 К (93 0С). Именно в мезосфере рождаются вспышки метеоров от сгорающих микрочастиц, попадающих из космического пространства. Также в верхних слоях ме-зосферы формируются серебристые облака, которые в северном полушарии Земли можно наблюдать короткими летними ночами с мая по август над северным горизонтом. Серебристые облака формируются за счёт восходящих потоков в верхней мезосфере на высотах примерно 80 км над поверхностью Земли. Заканчивается мезосфера мезопаузой на высоте примерно 85 км. В ионосфере происходят такие прекрасные природные явления, как полярные сияния. Высота термопаузы в зависимости от солнечной активности меняется от 200 до 500 км. Выше 500 км определение температуры является очень сложной задачей из-за крайней разреженности этих слоёв земной атмосферы. В высоких широтах температура мезопаузы меняется от минус 120°С летом до минус 50° зимой.

Начиная с высоты в 70 км, всё более заметными становятся процессы ионизации молекул и атомов кислорода и азота под воздействием рентгеновского и гамма-излучения солнца и галактических космических лучей. Начиная с

этой высоты, в атмосфере появляются в заметной концентрации свободные электроны. Поэтому эту высоту считают нижней границей ионосферы, хотя некоторое количество ионов содержится и в более низких слоях атмосферы (20-30 км), т. к. жёсткое космическое излучение, включая и высокоэнергичные заряженные частицы, проникают в атмосферу на большую глубину (вплоть до поверхности Земли), вызывая ионизацию молекул воздуха. Верхней границей ионосферы принято считать высоту в 1000 км, хотя экзосфера, состоящая из ионизированной плазмы, простирается до высот 20-25 тыс. км, поэтому экзосферу ещё называют плазмосферой, но концентрация частиц на таких высотах очень мала [16,17,18].

Начиная с высоты 85 км температура вновь начинает быстро повышаться и может достигать от 500 до 2000 К в зависимости от уровня солнечной активности, поэтому следующий слой называют термосферой. Температура термосферы постепенно увеличивается с высотой, хотя из-за высокой разреженности понятие температуры становится неопределённым, т. к. столкновения атомов и молекул становятся очень редкими. Нижняя часть термосферы, от 80 до 550 км над земной поверхностью, содержит ионосферу. От верхнего слоя атмосферы - экзосфе-ры она отделяется термопаузой. Высота термопаузы значительно изменяется из-за изменений солнечной активности [19-20].

Экзосфера является самым внешним слоем атмосферы Земли. Он простирается от экзобазы, расположенной в верхней части термосферы и до высоты 1020 тысяч км. Этот слой в основном состоит из чрезвычайно разреженных лёгких газов: водорода и гелия и небольшого количества более тяжелых газов, включая азот, кислород и углекислый газ. Атомы и молекулы настолько далеки друг от друга, что могут перемещаться на сотни километров, не сталкиваясь друг с другом, причём значительная их часть ионизирована и взаимодействует с магнитным полем Земли. Таким образом, экзосфера уже не ведет себя как газ.

Такое более детальное строение атмосферы представлено на рисунке 1.2.

км 25-10

3

Экзосфера (Плазмосфера)

1000 700 500

300 200

100

70 50 30 20

10 5 3 2 1

-100 -50 0 +50 +100 "С

Т 0С

Рис. 1.2. Структура и распределение температуры по слоям атмосферы

Верхние слои атмосферы в значительной степени определяют условия жизни на Земле. Они выполняют роль защитного барьера на пути излучений и частиц высоких энергий из космоса.

1.1.2. Состав и физико-химические процессы в верхних слоях атмосферы

До высоты 95 км состав газов атмосферы остаётся практически постоянным, ввиду чего этот слой атмосферы называют гомосферой. Основные физические характеристики атмосферы до высоты 100 км в зависимости от высоты

представлены в таблице 1.1. В ней используются следующие условные обозначения: г - высота в км, Т - температура в К, р - давление в Па, N - концентрация частиц в 1 см , - средняя молекулярная масса, g - ускорение силы тяжести. Данные усреднены для всех широт и долгот Земли.

Таблица 1.1. Основные физические характеристики гомосферы [21-22].

г, км Т, К р, Па 3 N, см-3 <^> g, м/с2

0 288 1,013105 2,547-1019 28,96 9,807

5 256 5,405 104 1,531 1019 28,96 9,791

10 223 2,650 104 8,598 1018 28,96 9,776

15 217 1,211 104 4,049 1018 28,96 9,761

20 217 5,529 103 1,849 1018 28,96 9,745

25 222 3,549 103 8,334 1017 28,96 9,730

30 227 1,197103 3,828 1017 28,96 9,715

35 237 5,746 102 1,760 1017 28,96 9,700

40 250 2,871 102 8,308 1016 28,96 9,684

45 264 1,491 102 4,088-1016 28,96 9,669

50 271 7,978-Ю1 2,1351016 28,96 9,654

55 264 4,253-Ю1 1,181 1016 28,96 9,639

60 247 2Д96101 6,439 1015 28,96 9,624

65 233 1,093-Ю1 3,393 1015 28,96 9,609

70 220 5,221 1,722 1015 28,96 9,594

75 208 2,388 8,300 1014 28,96 9,579

80 198 1,052 3,838 1014 28,96 9,564

85 189 4,457 10-1 1,709 1014 28,96 9,550

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Аль-Кадими Али Нури Мохаммед, 2021 год

Е = - и

т Я1 . (3.3)

г 1п—1-

Я2

Как видим, напряжённость электрического поля пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна текущему радиусу. Это означает, что у поверхности внутреннего электрода напряжённость поля будет максимальна, а у внутренней поверхности наружного электрода - минимальна.

В предлагаемой конструкции ловушки электроды выполнены в виде концентрических усечённых конусов с параметрами, обеспечивающими уменьшения расстояния между противоположно заряженными электродами с уменьшением высоты, что обеспечивает усиление электрического поля по мере проникновения частиц вглубь ловушки.

Для расчёта поля в такой конструкции можно заменить конические поверхности цилиндрическими со ступенчато уменьшающимися диаметрами, как показано на рисунке 3.2. В этом случае, если пренебречь краевыми искривлени-

ями поля на торцах конусов, то для каждой ступени таких поверхностей будет справедливо выражение (3.3)

и

, К , (3-4)

г 1п—^ г Я

Е

где т -текущий радиус I-ой ступени, ЯД Явг - средние радиусы наружного и внутреннего электродов г-ой ступени.

— -^

ч Р

I

а

I

Рис. 3.2. Аппроксимация конусных поверхностей ступенчатыми цилиндрическими поверхностями

От этого выражения несложно перейти и к непрерывной функции Е(к), если задать линейные функции Ян(к) и Яв(к), где к - текущая высота конусов:

и

л Ян (к) • (3-5)

т 1п—-

Яв (к)

Е (к)

к

в

3.3. Расчёт электрических полей ловушки заряженных частиц для конструкции с чередующимися коническими электродами

Проведём расчёт электрических полей для конструкции ловушки, изображённой на рисунке 3.1 с двумя положительными и двумя отрицательными электродами. Примем следующие геометрические размеры ловушки с учётом заданных поперечных размеров вакуумметрического преобразователя:

- максимальный наружный диаметр торца наружного конуса должен быть равен наружному диаметру магнита вакуумметрического преобразователя Бм = 19,1 мм. С учётом необходимого зазора 0,05 мм между ним и общим корпусом комбинированного преобразователя примем его равным =19 мм. Толщину материала электродов примем равной 0,1 мм. Тогда внутренний верхний диаметр конуса будет равен Б* =18,8 мм. Нижний наружный диаметр этого конуса примем равным 10 мм, а высоту всей ловушки Н = 40 мм. Будем обозначать наружный конус индексом 1, ближайший к нему - индексом 2 и далее индексами 3 и 4. Тогда остальные размеры ловушки в соответствии с геометрией рис. 3.1 будут соответствовать таблице 3.1.

Таблица 3.1. Геометрические размеры ловушки заряженных частиц

№ конуса 1 2 3 4

Верх Бн , мм 19 15 11 7

Бвн , мм 18,8 14,8 10,8 -

Низ Бн , мм 10 7 4 1

Бвн , мм 9,8 6,8 3,8 -

В соответствии с выражением (3.5) проведём расчёт зависимости электрического поля от высоты ловушки между первым и вторым, вторым и третьим и третьим и четвёртым конусами. Для каждой из этих пар электродов будем рассчитывать электрическое поле у внутренней поверхности внешнего конуса пары,

у наружной поверхности внутреннего конуса пары и для середины зазора между ними. По высоте разделим ловушку на 10 секций, и расчёты будем проводить для радиусов, соответствующих серединам этих секций. Формулу для нахождения радиусов любого из этих конусов на произвольной высоте к легко получить из геометрического построения, представленного на рисунке 3.3.

Рис. 3.3. К выводу формулы для нахождения радиусов конусных электродов на произвольной высоте к/

дк

ЯШ = дв +

Н

к

(3.6)

где: Е(1г) - радиус конуса на произвольной высоте к\ Яъ - радиус конуса по верхнему торцу; Ян - радиус конуса по нижнему торцу; Н - высота усечённого конуса.

При аппроксимации конусных поверхностей ступенчатыми цилиндрическими поверхностями разделим их по высоте на 10 секций. Тогда в соответствии с таблицей 3.1 для внутренней поверхности первого конуса имеем: Яв = 9,4 мм, Ян = 4,9 мм, Текущие радиусы каждой секции будем определять для уровней, соответствующих серединам секций. Поскольку полная высота усечённых конусов Н равна 40 мм, то высота каждой секции будет 4 мм, а текущие значения к, указанные в таблицах, соответствуют серединам этих секций. Поэтому для первого конуса (внутренняя поверхность) получим:

к

в

Для второго конуса (наружная поверхность) Яв = 7,5 мм, Ян = 3,5 мм:

Для второго конуса (внутренняя поверхность) текущие радиусы будут на 0,1 мм меньше соответствующих радиусов наружной поверхности этого конуса.

Для третьего конуса (наружная поверхность) Яв = 5,5 мм, Ян = 2 мм: Дда = 2 + 2 + 0,0875Л . (3.9)

Для внутренней поверхности этого конуса соответствующие радиусы будут на 0,1 мм меньше.

И для наружной поверхности четвёртого конуса Яв = 1,75 мм, Ян = 0,5 мм:

Таким образом, для каждой зависимости Е = /(Н) будем получать 10 точек и по ним строить графики Е = /(Н). Результаты расчёта напряжённости электрического поля при и = 1000 В приведены в таблицах 3.2, 3.3 и 3.4. А графики соответствующих зависимостей - на рисунках 3.4, 3.5 и 3.6. В них напряжённость электрического поля у наружного электрода пары обозначена как Ен , напряжённость поля у внутреннего электрода - как Евн , а поля а середине межэлектродного зазора - как Еср . Значения электрического поля рассчитывались для 10 текущих значений высоты электродов _через каждые 2 мм при рбщей высоте ловушки 40 мм.

к, мм Я1(к) , мм *2(к) , мм Яср(к), мм Ен , В/мм Евн , В/мм Еср , В/мм

38 7.3 9.175 8.237 476 598 537

34 6.9 8.725 7.812 490 619 554

30 6.5 8.275 7.387 501 638 569

26 6.1 7.825 6.962 513 658 585

22 5.7 7.375 6.535 525 680 602

18 5.3 6.925 6.112 541 707 624

14 4.9 6.475 5.687 555 734 644

10 4.5 6.025 5.262 568 761 664

6 4.1 5.575 4.837 584 794 689

2 3.7 5.125 4.412 599 829 714

h, мм Ri(h) , мм Ä2(h) , мм R*(h), мм Ен , В/мм F В/мм Е В/мм

38 5,325 7,2 6,262 460 622 541

34 4,975 6,8 5,887 471 644 557

30 4,325 6,4 5,362 481 668 574

26 4,275 6,0 5,137 491 690 590

22 3,925 5,6 4,762 503 718 610

18 3,575 5,2 4,387 513 746 629

14 3,225 4,8 4,012 524 779 651

10 2,875 4,4 3,637 535 818 676

6 2,525 4,0 3,262 543 861 702

2 2,175 3,6 2,887 551 912 731

Е=В/ММ

950 -1-1-1-1-1-г

900 -850 -800 -750 -700 -650 -600 -550 -500 -450 L

0 5 10 15 20 25 30 35 40

h(MM)

к, мм ад) , мм *2(к) , мм Яср(к), мм Ен , В/мм Е вн , В/мм Е ср , В/мм

38 1,6875 5,225 3,456 169 525 347

34 1,5625 4,875 3,219 180 562 371

30 1,4375 4,525 2,981 193 606 400

26 1,3125 4,175 2,744 207 658 432

22 1,1875 3,825 2,506 223 720 471

18 1,0625 3,475 2,269 243 794 518

14 0,9375 3,125 2,031 266 886 576

10 0,8125 2,775 1,794 293 1002 647

6 0,6875 2,425 1,556 327 1153 740

2 0,5625 2,075 1,319 369 1362 865

Е=В/ММ

1400 г

1200 -1000 -800 -600 -400 -200 -

О 5 10 15 20 25 30 35 40

Ф)

3.4. Расчёт предельных энергий электронов, протонов и ионов, улавливаемых ловушкой

Для построения матемиатической модели электронно-ионной ловушки рассмотрим вначале одну пару конических электродов (рис. 3.7 слева). Для каждой пары вложенных конусов введём условия:

„ . н ] = << 1, = — < 1

(3.10)

где 0 = 02 - 01 - угол между соседними конусами; Н - высота ловушки; г - высота полного конуса (не усечённого) с тем же центральным углом.

111

V

► У

Рис.3.7. Схема одной пары электродов электронно-ионной ловушки (слева) и электрического поля в её узком секторе

Эти условия означают, что углы 0 между соседними коническими поверхностями малы, а высота ловушки Н существенно меньше полной высоты конусов (если бы они не были усечёнными). Это подтверждает корректность аппроксимации конических поверхностей ступенчатыми цилиндрическими для каждой секции (по высоте) такой поверхности (как было показано на рис. 3.2). Именно с учётом такой аппроксимации рассчитывались электрические поля в

г

такой ловушке в предыдущем параграфе. Но для отдельной частицы, падающей перпендикулярно электрическому полю (а именно этот случай критичен, поскольку при любых других направлениях скорости частица обязательно столкнётся с тем или другим электродом и либо нейтрализуется, если имеет противоположный по знаку заряд, либо оттолкнётся от него, если заряды частицы и электрода одного знака, а при дальнейшем движении обязательно столкнётся с противоположно заряженным электродом). Поэтому для каждой цилиндрической секции (по высоте ловушки) схему электрического поля для узкого сектора ловушки (в котором движется заряженная частица) можно представить в виде поля между двумя плоско-параллельными пластинами. Этот случай и изображён на рисунке 3.6 справа.

При движении в поперечном электрическом поле на заряженную частицу действует сила Лоренца, отклоняющая её в поперечном направлении. Уравнения движения заряженной частицы с массой т и зарядом q в поперечном электрическом поле с напряженностью Е в общем случае имеют вид

(2 г (2 г

т1ё=, тлг="Е- , (3Л1)

где q - заряд падающих частиц.

В общем случае

5Ф ЗФ

Ег =- —, Ег =-— , (3.12)

Зг от

где Ег и Ег есть компоненты вектора напряжённости электрического поля по осям гит; Ф - потенциал электрического поля, который определяется решением уравнения Лапласа для цилиндрической системы координат

З 2Ф 1 ЗФ З 2Ф

Так как наибольший пробег будут иметь частицы, падающие перпендикулярно направлению поля и вблизи одноимённо заряженного электрода, то начальные условия запишем в виде

((г (7

при г = 0: г = г1 + Уг = — = 0; 7 = н: У7 = — = V (3.14)

(г 7 (г

где V - скорость падающей частицы.

Примечание: При строгом учёте геометрии электродов за счёт возрастания зазора между ними с ростом высоты к появится составляющая электрического поля, направленная вдоль оси ъ (для цилиндрической системы координат, рис. 3.7 слева), но вследствие малости угла 0 этой составляющей можно пренебречь и учитывать влияние на движение частицы только поперечной составляй (2 7 п ющей поля, т. е. считать т—Т = 0.

(г

Момент времени Т, когда частица достигнет противоположного электрода, определяется из условия у(Т) = ( , где ( - ширина зазора между электродами, откуда

Т =

V

2т( (3.15)

дБ

Считая, что за время Т составляющая скорости частицы по оси 7 остаётся неизменной и равной V, находим текущую высоту ловушки к = VI1*, при которой частица достигнет противоположного электрода:

к^

2 тй

дБ

Переходя от скорости к энергии частицы ЕКНН — — , откуда

. (3.16)

Находя отсюда Е™ частицы, получаем

Если сюда вместо текущей высоты hT подставить полную высоту ловушки H, то получим предельную кинетическую энергию частиц, улавливаемых данной ловушкой в самом неблагоприятном случае, когда их скорость направлена вдоль зазора между электродами ловушки:

^кин max ^ .

(3.18)

Конечно, это выражение приближённое, так как напряжённость электрического поля будет возрастать по мере приближения частицы к противоположно заряженному электроду и углубления в ловушку, поскольку Е зависит и от r, и от h. Поэтому в формулу (3.18) необходимо подставлять значение Е, усреднённое и по координате r, и по координате г. Но это отнюдь не самое важное упрощение. Самым важным приближением является то, что здесь рассмотрен самый неблагоприятный случай направления скорости частицы относительно положения ловушки. В действительности, направления скорости частиц относительно ловушки можно считать хаотичными, поскольку положение наноспутников, на которых предполагается размещать проектируемый датчик, относительно поверхности Земли не стабилизируется, да и сами частицы движутся достаточно хаотично, хотя магнитное поле Земли, воздействую на заряженные частицы в пределах ионосферы, заставляя их двигаться по циклотронным орбитам вдоль силовых линий магнитного поля. Но по отношению к вектору скорости самого космического аппарата направления их скорости можно считать равновероятными. Это означает, что вероятность рассмотренного выше случая направления начальной скорости частицы вдоль зазора между электродами можно оценить

как отношение телесного угла 0, в котором при отсутствии поля частица не столкнулась бы с электродами ловушки к телесному углу 2п. При заданной геометрии ловушки этот угол 0 можно оценить из построения на рисунке 3.8. Здесь он определяется как плоский угол. Его величину можно приближённо найти как 0 = arc tg ДА/Н.

rb1-rb2

Н

о

rh1-rh2

Рис. 3.8. К определению угла 0

Например, плоский угол 0 между первым и вторым конусами (что и показано на рис. 3.8) будет определяться как

Подставляя сюда числовые значения для первой пары электродов (см. табл. 3.1), получим

Без больших погрешностей можно считать таким же и телесный угол между другими парами конусов (при малости этих углов даже погрешность в 100 % существенного значения не имеет).

Поэтому даже если ограничить телесный угол, под которым частица может падать на ловушку 1200 (вместо 1800), то вероятность совпадения скорости частицы с направлением зазора между соседними электродами будет менее 1 %. Это означает, что с вероятностью 99 % эта ловушка будет улавливать заряженные частицы любых энергий, и лишь для оставшегося 1 % частиц энергия улавливаемых частиц будет ограничена. Эта предельная энергия будет определяться по формуле (3.18). Считая среднюю величину зазоров равной 1,6 мм, а среднюю напряжённость поля между ними (см. табл. 3.2-3.4) 620 В/мм, получим (в системе единиц СИ) для электронов и ионов с единичным зарядом:

Следовательно, даже в самом худшем случае, вероятность которого не превышает 1 %, ловушкой будут задержаны все заряженные частицы с энергией менее 160 кэВ. Учитывая же, что даже максимальная концентрация заряженных частиц в ионосфере примерно в 50 раз ниже, чем нейтральных частиц, погрешность измерения концентрации нейтральных частиц из-за нейтрализации заряженных не превысит 1 процента.

3.5. Дальнейшее развитие конструкции датчика плотности и состава верхних слоев атмосферы

Описанная выше конструкция датчика задерживает и определяет плотность потоков всех заряженных частиц с энергией менее 160 кэВ, а также свыше 99 % заряженных частиц с энергией выше 160 кэВ и, при этом, позволяет раздельно регистрировать плотности потоков отрицательно заряженных частиц (среди которых будут преобладать электроны) и положительно заряженных частиц (протонов и положительных ионов). Однако при некотором усложнении

конструкции возможно полностью исключить пропуск заряженных частиц любых энергий к вакуумметрическому преобразователю и рассортировать частицы не только по знаку заряда, но и по величине энергии. В частности, можно предложить следующую конструкцию, представленную на рисунке 3.9.

верхних слоев атмосферы/

Данная конструкция по сравнению с конструкцией, представленной на рисунке 3.1 дополнена системой обратных конических электродов, которые и должны улавливать все заряженные частицы, проскочившие через верхнюю систему электродов. Поскольку при этом уже нет необходимости стремиться к улавливанию частиц максимальной энергии верхней системой электродов можно уменьшить ее высоту (с 40 до 30 мм) и вместо четырех электродов использовать только три, что облегчит технологию изготовления датчика.

Проведём расчёт предельной энергии частиц улавливаемых верхней системой электродов (при этом следует помнить, что эта энергия определяется для частиц, скорость которых направлена вдоль зазора между электродами, при всех других направлениях начальной скорости частицы обязательно столкнутся с электродами и будут нейтрализованы).

Геометрические размеры верхней системы электродов представлены в таблице 3.5.

Таблица 3.5. Геометрические размеры верхней системы электродов

Электроды Наружный Средний Внутренний

Верх Он , мм 19 13 7

Аш , мм 18,8 12,8 -

Низ Он , мм 10 6 2

Овн , мм 9,8 5,8 -

Расчёт электрических полей между соседними парами электродов будем проводить по той же методике, которая подробно изложена в п. 3.3. При этом высота верхней системы электродов Н = 30 мм, а напряжение на электродах, как и для предыдущего варианта равно и = 1000 В. С учётом указанных размеров электродов ловушки значения текущих радиусов Я\(к) и Я2(к) для наружной пары электродов будут определяться выражениями

нар нар 9 4-4 9

= = 4.9+==^ = 4,9 + 0,15Л .

эо

Для внутренней пары электродов получаем д;иОД = Я5 +

рек пен

Н

ДГОО = *5+ 23 н 2л

6 4—29

к = 2,9 + ' ' Ь = 2,9 + 0117Л

30 2 9—1

= 1 + —-/I = 1 + 0,063/1

30

Электрическое поле между электродами определяется выражением

т-т т \ _ и _ 1000

■и д2(Л) } я2(Ю где г(к) - значение текущего радиуса межэлектродного пространства;

Я:(к) - текущий радиус наружного электрода пары;

Я2(к) - текущий радиус внутреннего электрода пары.

Результаты расчёта электрического поля между наружной парой электродов представлены в таблице 3.6, а графики их зависимости от высоты ловушки -на рисунке 3.10.

Таблица 3.6. Расчёт электрического поля для наружной пары электродов

к, мм Я1(к) , мм Я2(к) , мм Яср(к), мм Ен , В/мм Евн , В/мм Еср , В/мм

28,5 9,175 6,334 7,755 294 425 359

25,5 8,725 5,983 7,354 304 443 373

22,5 8,275 5,632 6,953 315 462 388

19,5 7,825 5,281 6,553 325 482 403

16,5 7,375 4,930 6,152 336 503 419

13,5 6,925 4,579 5,752 349 527 438

10,5 6,475 4,228 5,351 363 555 449

7,5 6,025 3,877 4,951 376 585 480

4,5 5,575 3,256 4,550 392 619 505

1,5 5,125 3,175 4,150 407 658 535

Результаты расчёта электрического поля между внутренней парой электродов представлены в таблице 3.7, а графики их зависимости от высоты ловушки - на рисунке 3.11.

Е, В/мм

700 600 500 400 300 200 100 0

Евн

Еср

Ен

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 Ь, мм

Рис. 3.10 - Зависимости Е=/(к) для наружной пары электродов

Таблица 3.7. Расчёт электрического поля для внутренней пары электродов

к, мм ^1(к) , мм Я2(к) , мм ^ср(к), мм Ен , В/мм Евн , В/мм Еср , В/мм

28,5 6,234 2,795 4,514 200 446 323

25,5 5,883 2,606 4,244 209 471 340

22,5 5,532 2,417 3,824 218 500 359

19,5 5,181 2,228 3,704 229 532 380

16,5 4,838 2,039 3,438 239 568 403

13,5 4,479 1,850 3,164 253 611 432

10,5 4,128 1,661 2,894 266 662 464

7,5 3,777 1,472 2,624 281 721 501

4,5 3,426 1,283 2,354 297 794 545

1,5 3,075 1,094 2,084 301 885 593

е, 900

800 700 600 500 400 300 200 100

0

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 Л, мм

Рис. 3.11 - Зависимости Е = /(к) для внутренней пары электродов

Максимальная кинетическая энергия частиц, которые будут задержаны верхней частью ловушки (при направлении их скорости вдоль зазора между электродами) будет определяться выражением (3.18)

^кин тах ^^

где q - заряд частицы (при учёте лишь однозарядных ионов) для всех частиц будет одинаковым по абсолютной величине q = 1,6 - ю-19 Кл; с1 - ширина зазора между электродами; Н - высота верхней части ловушки; Е - напряжённости электрического поля на пути траектории движения частицы.

Ширина зазора ё и напряжённость поля Е на пути движения частицы будут меняться. Поэтому расчёт будем вести, как и раньше для их средних величин при разделении всей ловушки по высоте на 10 секций (соответственно, высота

Е...

Еср

е..

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

каждой секции 3 мм). Целью расчёта является определение максимальной кинетическую энергию тех частиц, которые не будут задержаны верхней ловушкой и дойдут до нижней. Конечно, здесь будут учитываться лишь те частицы, начальная скорость которых направлена вдоль зазоров между электродами верхней ловушки. При этом будем учитывать среднее значение поля и по высоте ловушки, и по ширине зазора для каждой пары верхних электродов.

С учётом этих допущений и, учитывая коэффициент пересчёта из Дж в эВ Кп = 6,25-1018, получаем:

- для наружной пары электродов

- для внутренней пары электродов

Разница получается небольшая, только из-за некоторого увеличения среднего значения электрического поля между внутренней парой электродов (за счёт уменьшения средних диаметров электродов).

Проводить расчёт электрических полей между электродами нижней системы электродов нет необходимости, т. к. все заряженные частицы, прошедшие через верхнюю систему электродов обязательно столкнутся с электродами нижней системы и будут нейтрализованы. При этом электроны и протоны прекратят своё существование, а ионы превратятся в нейтральные атомы и попадут в ваку-умметрический преобразователь. Однако, поскольку доля ионов в ионосфере на всех высотах существенно меньше доли нейтральных частиц, то при расчёте тока вакуумметрического преобразователя этот эффект можно не учитывать, Тем более, что нам важно оценить лишь диапазон его возможной вариации на разных высотах.

1. Поскольку в пределах ионосферы все характеристики атмосферы, включая плотность, состав, температуру, степень ионизации, радиус циклотронного вращения в магнитном поле Земли и т. д. весьма изменчивы и зависят не только от высоты, но и от времени суток, времени года, широты местности, солнечной активности и множества других факторов, влияние большинства которых плохо изучены, то это определяет актуальность разработки измерительных средств для прямых измерений плотности и состава верхних слоёв атмосферы, пригодных для установки на микро- и наноспутники.

2. Основными факторами, затрудняющими использование для этих целей существующих промышленных приборов (ионизационных вакуумметров) являются высокая степень ионизации верхних слоёв атмосферы и сильная разреженность. Именно поэтому на этих высотах наиболее эффективной может стать специализированная научная аппаратура для определения плотности и состава ионосферы, пригодная для автономного функционирования на микро- и нано-спутниках.

3. Для устранения влияния заряженных частиц на показания ионизационного вакуумметрического преобразователя к малогабаритному вакуумметриче-скому преобразователю должна пристраиваться электронно-ионная ловушка, не пропускающая заряженные частицы в активную зону вакуумметрического преобразователя, что позволит не только устранить погрешности вакуумметриче-ского преобразователя при измерении плотности воздуха в условиях ионосферы, но и раздельно измерять концентрацию нейтральных и заряженных частиц (электронов, ионов и протонов) в условиях ионосферы.

4. В данной главе предлагаются две конструкции электронно-ионной ловушки для совмещённого датчика плотности и состава верхних слоёв атмосферы

и разработаны её математические модели, по которым проведен расчёт создаваемых в них электрических полей. Первая конструкция (двухканальная) Задерживает все заряженные частицы с энергией менее 160 кэВ, но пропускает некоторое количество заряженных частиц с энергией более 160 кэВ (менее 1 % от их общего количества). Вторая конструкция улавливает заряженные частицы любой энергии и позволяет раздельно регистрировать не только плотности потоков отрицательно и положительно заряженных частиц, но и разделять по энергии (менее или более 40 кэВ) те частицы, начальная скорость которых направлена вдоль зазора между электродами.

Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЁТ СОВМЕЩЁННОГО ДАТЧИКА ПЛОТНОСТИ И СОСТАВА ВЕРХНИХ СЛОЁВ АТМОСФЕРЫ

4.1. Расчёт токов измерительных каналов электронно-ионной

ловушки

4.1.1. Исследуемая конструкция совмещённого датчика плотности и состава верхних слоёв атмосферы

В предыдущей главе было рассмотрено несколько возможных конструкций электронно-ионной ловушки для датчика плотности и состава верхних слоёв атмосферы. Из них наиболее совершенной при незначительном усложнении является конструкция четырёхканальной ловушки, представленная на рис. 3.9, поскольку, во-первых, она гарантированно позволит улавливать заряженные частицы любых энергий, а, во-вторых, разделяет их не только по знаку заряда, но и по энергии. Для расчёта диапазонов вариаций токов каждого измерительного канала необходимо задать все геометрические размеры электродов ловушки. Они определяются геометрическими размерами вакуумметрического преобразователя (поскольку ловушка должна встраиваться в общий корпус с ним) и ограничением общих габаритов датчика, позволяющих встраивать его в наноспутники «СиЬБаЪ». С учётом этих соображений размеры электродов этой конструкции представлены в таблице 4.1, а внешний вид показан на рисунке 4.1 (слева - ваку-умметрический преобразователь со снятой ловушкой, справа - в сборе). Толщина электродов принята равной 0,1 мм. С учётом этого внутренние диаметры электродов на 0,2 мм меньше наружных.

Высота верхней системы электродов принята равной 30 мм. Высота нижней системы электродов 10 мм. Расстояние (по высоте) между верхней и нижней системами электродов - 10 мм.

Поскольку для разрабатываемой конструкции вакуумметрического преобразователя оптимальная величина анодного напряжения составляет 1000 В, то

такое же напряжение питания будем использовать в электронно-ионной ловушке.

Таблица 4.1. Геометрические размеры электродов ловушки

№ конуса 1 2 3

Верхняя система электродов Верх Ан , мм 19 13 7

Аш , мм 18,8 12,8 -

Низ Ан , мм 10 6 2

Авн , мм 9,8 5,8 -

Нижняя система электродов Верх Ан , мм 10 6 2

Авн , мм 9,8 5,8 -

Низ Ан , мм 13 9 5

Авн , мм 12,8 8,8 -

Рис. 4.1. Совмещённый измерительный преобразователь плотности и состава верхних слоёв атмосферы

В п. 3.5 был проведен расчёт электрических полей между электродами верхней системы при данной величине напряжения между каждой парой электродов. Для нижней системы электродов (которая питается от того же источника 1000 В) расчёт электрических полей не проводился, поскольку попавшие в неё заряженные частицы любых энергий обязательно попадут на соответствующие электроды и будут нейтрализованы.

4.1.2. Расчёт токов электронно-ионной ловушки

Для расчёта токов электронно-ионной ловушки необходимо знать высотное распределение плотности заряженных частиц всех видов в атмосфере и их энергии на высотах 150-500 км. Скорости всех частиц на этих высотах приведены в таблице 2,5 во второй главе. По скорости частиц, зная их массу, легко определить их энергии. При этом, поскольку скорости частиц в условиях термодинамического равновесия при постоянстве прочих параметров распределены по закону Максвелла-Больцмана в достаточно широком диапазоне (см. рис. 2.1), то будем вести расчёт энергий для среднеквадратических скоростей. Что касается направления их скоростей, то по отношению к скорости движения самого нано-спутника можно считать их равновероятными. Дело в том, что на этих высотах движение заряженных частиц не является хаотическим, поскольку на высотах свыше 150 км плазма (т. е. заряженные частица воздушной среды) является полностью замагниченной. Это означает, что частицы совершают циклоидальное вращение вокруг силовых линий магнитного поля Земли, а, поскольку они имеют ненулевую составляющую скорости вдоль силовой линии магнитного поля (с равной вероятностью с юга на север или с севера на юг), то движение происходит по винтовой линии с ведущим центром, движущимся вдоль магнитной силовой линии. Такое движение сохраняется в интервалах между столкновениями частиц друг с другом. Причём для электронов при каждом столкновении с

нейтральной частицей (молекулой воздуха) направление скорости изменяется скачком весьма сильно, но величина скорости, а значит и кинетической энергии практически не изменяется (поскольку масса электрона в десятки тысяч раз меньше массы молекулы или атома кислорода или азота). При столкновении электронов с положительными ионами последний захватывает электрон и превращается в нейтральную молекулу. При столкновениях ионов с нейтральными молекулами происходит обмен их кинетическими энергиями при сохранении величины их суммарной энергии. Но, тем не менее, и в этом случае направление и величина скорости иона скачком изменяется, хотя и менее существенно, чем у электрона. Следует также учитывать, что в равновесном состоянии (при равных давлениях и температурах) средние кинетические энергии электронов, ионов и нейтральных частиц будут примерно равны, хотя средние скорости электронов будут в десятки тысяч раз выше средних скоростей нейтральных частиц и ионов (за счёт разницы их масс). Это позволяет ограничиться расчётом среднеквадратичных энергий нейтральных частиц, концентрации которых превалируют над концентрациями заряженных на всех указанных высотах.

С учётом этих дополнений основные параметры атмосферы (температура Т, давление р, концентрации нейтральных частиц Nn, электронов Ne, среднеквадратичная скорость нейтральных частиц Vn кв , среднеквадратичная энергия частиц Е„ и , длина свободного пробега нейтральных частиц ср и частота столкновений нейтральных частиц друг с другом vnn , с электронами ven и с ионами vin на высотах 150-500 км представлены в таблице 4.2.

На высотах свыше 1000 км концентрация протонов превосходит концентрацию всех других частиц и потому эту часть атмосферы называют протоно-сферой. Но какая-то часть быстрых протонов и электронов проникает и в ионосферу. Особенно глубоко протоны солнечного ветра проникают во время сол-

нечных вспышек. Кроме того, высокоэнергичные протоны регулярно проникают в ионосферу из радиационных поясов Земли. Именно проникновением высокоэнергичных протонов на глубину вплоть до 100 км объясняют нагрев атмосферы на высотах от 100 до 1000 км. Однако найти надёжные сведения о концентрации и энергии протонов на этих высотах не удалось. Но, даже если учитывать лишь равновесные значения скорости и энергии частиц, не следует забывать, что на самом деле даже для фиксированных значений температуры они распределены в весьма широком интервале, причём спад плотности распределения с ростом их энергии после наиболее вероятного значения очень пологий (см. рис. 2.1), что означает наличие на всех указанных высотах частиц с существенно (в несколько раз) большей энергией, чем указано в таблице 4.2.

Таблица 4.2. Основные параметры атмосферы на высотах 150 ... 500 км

1, км 150 200 250 300 400 500

Т, К 800 900 1000 1100 1400 1950

р, Па 7,7-10-4 9,9-10-5 5,5-10-5 1,110-5 0,95-10-6 0,55-10-6

К, см-3 7-1010 8109 2109 7-108 5 107 2107

Ne, см-3 1105 1105 1106 1106 1106 4105

Уп кв , м/с 812 861 908 952 1073 1268

Е эВ ^п кв? 0,98 1,1 1,23 1,35 1,71 5,67

Кхср -М 3,37 29.5 143 337 4.7-103 14.7^ 103

Упп , с 222 26,9 5,85 2,33 0,21 0,079

^еп^, с 910 150 47 18 3,5 0,9

с-1 480 440 650 810 590 300

V«, с-1 60 6 2 0,7 0,2 0,05

Примечание: В данной таблице скорости и энергии частиц определены с учётом их теплового равновесия. Здесь не учтены протоны и электроны, заносимые в верхние слои атмосферы солнечным ветром и из радиационных поясов Земли. Солнечный ветер состоит из протонов и электронов, испускаемых короной Солнца, и сопровождается коротковолновым фотонным излучением (пре-

имущественно рентгеновского диапазона). Основные его параметры на расстоянии орбиты Земли от Солнца приведены в таблице 4.3. Подавляющая часть этих потоков тормозится магнитным полем Земли, образуя радиационные пояса.

Таблица 4.3. Основные параметры солнечного ветра на орбите Земли

Параметр Средняя

величина

Плотность, п, см- 8,8

Скорость, V, км/с 468

Температура, протоны, Тр , К 4 710

Температура, электроны Те , К 5 1,410

Те /Тр 1,9

Тем не менее, расчёт токов ловушки будем вести для условий термодинамического равновесия, при котором скорости теплового движения молекул воздуха в несколько раз меньше орбитальной скорости спутника (на низких орбитах она примерно равна 8000 м/с). Однако, равновесные скорости электронов будут на 4 порядка выше скорости движения спутника. Соответственно, при расчёте скорости молекул и ионов воздуха относительно ловушки их собственной тепловой скоростью можно пренебречь, а при расчёте скорости электронов относительно ловушки можно пренебречь скоростью самого спутника. Поэтому при расчёте количества попадающих в ловушку ионов будем учитывать относительную скорость, равную орбитальной скорости ловушки Vорб = 8000 м/с. А при расчёте количества попадающих в ловушку электронов, будем считать её неподвижной. К сожалению, распределение концентрации ионов по высоте найти в литературе не удалось. Известно лишь, что максимальная концентрация ионов соответствует высотам 150-200 км, тогда как максимальная концентрация электронов - высотам 250-400 км. Однако, поскольку целью расчёта является всего

лишь определение возможных диапазонов вариации токов совмещённого преобразователя, то вполне можно считать, что на всех высотах плазма электронейтральна, т. е. на всех высотах концентрации электронов и ионов одинаковы. С учётом сказанного методика расчёта количества захватываемых ловушкой ионов состоит в следующем:

1. Определяем площадь верхнего сечения зазоров между парами электродов верхней электродной системы. Поскольку внешние цепи положительных и отрицательного электрода разделены, то будем учитывать суммарное сечение зазора между ними по верхнему торцу ловушки:

5Л = - {В1 - Я2) = 0,785(192 - 72) = 241,3 мм2 ^ 2.4 см2;

4

2. Определяем количество ионов Л^ , попавших в ловушку за 1 с на разных высотах с учётом скорости движения ловушки относительно самих частиц (условно их считаем неподвижными, поскольку тепловые скорости их движения во много раз ниже скорости движения ловушки).

где N1^ — - концентрация ионов (условно равная концентрации электронов) на высоте к;

Ул - орбитальная скорость ловушки.

Поскольку нас интересует лишь диапазон вариации токов ловушки, то из данных таблицы 4.1 будем использовать лишь максимальное и минимальное значения концентрации ионов. Разброс здесь не велик (всего лишь десятикратный в отличие от диапазона вариаций концентрации нейтральных частиц, составляющий 3 порядка). Соответственно получаем

3. Определяем количество электронов, попавших в ловушку за 1 с (цепи измерений электронов и ионов разделены, поэтому токи электронов и ионов не будут совпадать, поскольку количество попадающих в ловушку за 1 с электронов не равно, количеству попадающих ионов из-за различной относительной скорости электронов и ионов относительно ловушки).

Поскольку длина свободного пробега электронов на этих высотах на несколько порядков превышает геометрические размеры ловушки, то скорость дрейфа электронов вдоль направления электрического поля ловушки будет определяться выражением

V* =

еЕ

те

(4.2)

где е - заряд электрона;

Е - напряжённость электрического поля; те - масса электрона.

Опуская знак минус и подставляя в 4.2, принимая среднюю величину электрического поля между электродами ловушки Еср = 450 В/мм = 0,45-106 В/м (её несложно оценить по рисункам 3.9 и 3.10), и выражая заряд электрона в кулонах, а его массу в кг, получаем

V =

Дв ср

■О,45110

.

0.91'10_а°

Результат получился на много порядков выше скорости света (с ~ 3-10 м/с). Поэтому её и примем в качестве скорости дрейфа: Удв = 3-108 м/с

4. Определяем количество электронов ЛТД , попавших в ловушку за 1 с на разных высотах с учётом скорости движения электронов относительно ловушки (условно считаем ловушку неподвижной, поскольку скорости электронов во много раз выше скорости движения ловушки).

Концентрации электронов Л^ по-прежнему считаем равными концентрациям ионов на всех высотах и из таблицы 4.2 выбираем минимальное и максимальное значения. Выражая концентрацию электронов в см_ , площадь сечения верхнего торца ловушки в см2 и скорость в см/с, получаем:

4. Определяется диапазон вариации тока электронов

5. Оценка диапазона возможных величин токов нижней системы электродов.

Верхняя система электродов задерживает и нейтрализует все заряженные частицы с энергией ниже 40 кэВ. При этом будут нейтрализованы практически все заряженные частицы на высотах от 150 до 500 км, находящиеся в термодинамическом равновесии с воздушной средой. Верней системой электродов будет задержана и нейтрализована и подавляющая часть заряженных частиц более высоких энергий, начальные скорости которых не направлены вдоль зазоров между электродами ловушки. В модернизированной конструкции ловушки зазоры между электродами шире, а высота верхней части ловушки короче. Поэтому доля высокоэнергичных частиц, не задерживаемых верхней системой электродов,

может достигать нескольких процентов. И именно для их нейтрализации в модернизированную конструкцию введена нижняя система электродов. Сколько электронов и высокоэнергичных протонов достигнет нижней системы электронов сказать сложно. Это могут быть только протоны и электроны солнечного ветра, и заносимые из радиационных поясов Земли, поскольку частицы, находящиеся в термодинамическом равновесии на этих высотах, не могут иметь энергию выше сотен электрон-вольт будут полностью нейтрализованы верней системой электродов. При этом протоны и электроны, заносимые из радиационных поясов, достаточно быстро теряют избыточную энергию и приходят в состояние термодинамического равновесия (что и является одним из источников повышения температуры в термосфере). Но частицы солнечного ветра, имея громадную энергию (в тысячи раз превышающую среднюю энергию частиц воздуха на этих высотах) могут проникать вплоть до нижних слоёв ионосферы и даже в стратосферу. Однако, не удалось найти даже приближённых оценок их концентрации на рассматриваемых высотах (от 150 до 500 км). К тому же эти концентрации могут резко возрастать при солнечных вспышках. Именно для нейтрализации этих высокоэнергичных частиц и служит нижняя система электродов ловушки Таких частиц (особенно электронов) будет явно в десятки или сотни раз меньше, чем частиц, улавливаемых верхней системой электродов. Поэтому измерительные каналы нижней системы электродов должны иметь чувствительность, по крайней мере, до единиц наноампер.

4.2. Конструкция совмещённого датчика плотности и состава

верхних слоёв атмосферы

Датчик имеет 5 измерительных каналов: измерительный канал вакууммет-рического преобразователя и 4 измерительных канала электронно-ионной ловушки (см. рис. 3.9). Два из них для электронов (один для верхней системы элек-

тродов, второй - для нижней) и два для положительных ионов и протонов (тоже один для верхней, другой для нижней системы электродов). Расчёт возможных диапазонов тока вакуумметрического канала, приведен во второй главе (п. 2.6), а токов верхней системы электродов выше (п. 4.1.2). Полученные результаты диапазонов вариации тока вакуумметрического преобразователя и верхней системы электродов представлены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Расчётные диапазоны токов измерительных каналов

Измерительные каналы Нижний предел Верхний предел

Вакуумметрический преобразователь 13 нА 13 мкА

Канал положительных частиц 30 нА 300 нА

Канал отрицательных частиц 1 мА 12 мА

Токи нижней системы электродов рассчитать затруднительно, можно лишь утверждать, что они не превысят единиц процентов для протонов, а для электронов доли процента от соответствующих токов верхней системы электродов. Это следует из чисто геометрических параметров ловушки, а также из того, что высокоэнергичные электроны солнечного ветра будут быстрее тяжёлых протонов тормозиться на высотах свыше 500 км.

Требуемые пределы измерений измерительных каналов определим с учётом не менее пятикратных запасов, как в нижнюю, так и в верхнюю сторону. Полученные данные отражены в таблице 4.5. В неё включены и каналы нижней системы электродов. В данной таблице под нижним пределом следует понимать предел чувствительности измерительного канала.

Как видно из этой таблицы, пределы измерений получились весьма широкие (динамические диапазоны шириной от трёх до пяти порядков). Это требует

использования измерительных схем с автоматическим переключением пределов измерения.

Таблица 4.5 - Диапазоны измерений токов измерительных каналов

Измерительные каналы Нижний предел Верхний предел

Вакуумметрический преобразователь 1 нА 100 мкА

Верхняя система электродов Канал положительных частиц 1 нА 10 мкА

Канал отрицательных частиц 100 мкА 100 мА

Нижняя система электродов Канал положительных частиц 0,1 нА 100 нА

Канал отрицательных частиц 10 нА 1 мА

При разработке структурной схемы датчика и алгоритмов его работы и взаимодействия с навигационным оборудованием и системой энергообеспечения наноспутника основными требованиями являются обеспечение автономности функционирование в течение нескольких месяцев, минимизации энергопотребления его электронного оборудования, ограничения габаритов оборудования в пределах двойного или тройного стандартного конструктива cubsat и минимизации его энергопотребления. При этом использовались литературные источники .

Учитывая необходимость экономии аппаратных ресурсов и потребляемой мощности от источника питания, нет смысла создавать пять независимых измерительных каналов. Можно использовать один канал с программно переключаемыми входами и пределами измерений. При этом сразу необходимо ориентироваться на периодическую работу датчика в целях экономии ресурсов памяти данных и электропитания. Памяти данных должно хватать на период между очередными сеансами связи с Землёй. Объём оперативной памяти датчика должен

быть достаточен для хранения данных нескольких циклов измерений по всем измерительным каналам подряд с их последующим усреднением, после чего эти усреднённые данные должны пересылаться в общую память системы управления спутником. Одновременно с данными, получаемыми от датчика, этой системой должны фиксироваться данные навигационной системы ГЛОНАСС, которой оснащаются все спутники. Таким образом, данные каждого сеанса измерений сопровождаются географическими координатами и высотой той точки орбиты, где они были измерены. Поэтому объём памяти данных самого датчика должен рассчитываться для хранения, как минимум пяти циклов измерения подряд и усреднённых по ним результатов, которые и передаются в систему верхнего уровня.

Поскольку период обращения спутника вокруг Земли на этих высотах составляет в среднем примерно 90 минут (зависит от высоты орбиты), из которых половина приходится на дневную, а вторая половина на ночную сторону Земли, то электропитание датчика от аккумулятора будет происходить только во время пролёта спутника по ночной стороне. Сеансы связи с Землёй возможны, лишь когда спутник находится в пределах прямой видимости с приёмной станцией на Земле, а это происходит далеко не на каждом обороте спутника и зависит от наклонения его орбиты.

С учётом этих соображений укрупнённая структурная схема датчика имеет вид, представленный на рисунке 4.2 [101].

Усложнение структурной схемы обусловлено реализацией периодического режима работы датчика и стремлением снизить затраты энергоресурсов системы электропитания. Поскольку основные затраты энергии происходят при работе электронно-ионной ловушки, а их можно избежать только путём выключения высокого напряжения, подаваемого на её электроды, то для экономии энергопо-

требления выключать надо не измерительную схему, а высоковольтные напряжения электропитания и ловушки, и вакуумметрического преобразователя.

Рис. 4.2 - Укрупнённая структурная схема датчика плотности и состава верхней атмосферы: ИВН - источник высокого напряжения; КПП - комбинированный первичный преобразователь; МИК - мультиплексор измерительных каналов; МК - микроконтроллер; ИОН - источник опорного напряжения; МИВН - мультиплексор источника высокого напряжения; ПТН -преобразователь ток/напряжение; МПИ - мультиплексор пределов измерения; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ИЭП - источник электропитания

Поскольку питание разных каналов ловушки разнополярное, а выход вакуумметрического преобразователя на стационарный режим может длиться больше минуты, в то время как измерения токов ловушки происходят за доли секунды, то коммутируются не выходные напряжения высоковольтного преобразователя, а его низковольтные входы. Это облегчает и схемотехнику мультиплексора измерительных каналов, т. к. коммутировать низковольтные напряжения много проще. Для этого мультиплексор источника высокого напряжения (МИВН) перенесён в низковольтную часть источников высокого напряжения. При этом к комбинированному первичному преобразователю (КПП) поочерёдно включаются раздельные гальванически развязанные выходы высокого напряжения: один

для питания вакуумметрического преобразователя и два разнополярных для питания электронно-ионной ловушки.

Переключение измерителя тока к выходам КПП осуществляется поочерёдно сначала к выходу вакуумметрического преобразователя, а затем поочерёдно к соответствующим электродам верхней и нижней частей электронно-ионной ловушки (всего 4 измерительных канала).

При работе каждого измерительного канала переключение пределов измерения измерителя тока осуществляется мультиплексором пределов измерения (МПИ), изменяющим коэффициент усиления преобразователя ток/напряжение (ПТН).

4.3. Описание работы датчика плотности и состава ионосферы

Для определения периодичности включения датчика необходимо оценить диапазон варьирование времени одного цикла измерений. Очевидно, оно будет лимитироваться временем измерения вакуумметрического преобразователя, а именно временем зажигания разряда и выхода его на стационарный режим. Экспериментальные исследования прототипного образца вакуумметрического преобразователя, проведённые в наземных условиях в вакуумной камере, показали, что время выхода на стационарный режим становится заметным (более 1 с), лишь начиная с давлений ниже 10-5 Па. Эти исследования проводились следующим образом. Предварительно обезгаженный первичный преобразователь (для чего он должен находиться в высоком вакууме не менее часа при включённом высоком напряжении) отключается примерно на 1 минуту от высокого напряжения, после чего вновь включается высокое напряжение и определяется время выхода выходного тока на стационарный режим. Точных измерений при вакууме близком к 10-6 Па провести не удавалось, поскольку при отключении насоса давление плавно повышается из-за натекания через неплотности (или/и остаточ-

ной дегазации конструкции преобразователя), а при включённом насосе его не удаётся стабилизировать. Тем не менее, по многократным измерениям это время можно оценить величиной от 3 до 5 минут. С большой долей вероятности можно ожидать, что в условиях космоса оно существенно сократиться из-за резкого возрастания интенсивности гамма- и рентгеновского излучения на этих высотах, что приведёт к многократному возрастанию количества затравочных электронов, эмитируемых из магнитной системы преобразователя, и отсутствия перепада давления между внешней средой и внутриспутниковым пространством. Поэтому можно ориентировочно оценить время выхода на стационарный режим величиной в 100 секунд. Но это касается лишь первого измерения в сеансе (после момента подключения вакуумметрического преобразователя к источнику анодного напряжения). Повторные измерения могут производиться в желаемом темпе.

При средней орбитальной скорости 8 км/с спутник за 100 с пролетит 800 км, но все достоверные измерения будут выполнены за последние секунды. Поэтому координаты точки измерения следует определять на момент окончания сеанса измерения. Время измерения всех прочих каналов можно не учитывать, поскольку оно не превысит 1 с.

Выбор интервала времени между последовательными сеансами измерений зависит от объёма памяти системы верхнего уровня спутника и энергообеспечения. Если объём памяти не лимитирован (в настоящее время объёмы флэш-памяти достигли уровня, удовлетворяющего любые потребности микро- и нано-спутников), то на первый план выступает проблема энергообеспечения. В данном датчике основным потребителем энергии является не вакуумметрический преобразователь, а электронно-ионная ловушка, главным образом, каналы измерения потоков электронов, поскольку на низких высотах потребляемый ими ток может достигать десятков миллиампер. Но время работы этих каналов в каждом сеансе не превысит 1 с, поскольку выход измерительных каналов ловушки на

стационарный режим происходит практически мгновенно, высокое напряжение на все электроды ловушки подаётся одновременно (после окончания сеанса измерения тока вакуумметрического преобразователя). Поэтому суммарное время измерения токов измерительных каналов ловушки (а их 4) не превысит 1 с. Непрерывно должна работать лишь микросхема самого микроконтроллера, но в перерывах между сеансами она должна работать в режиме малого потребления при потребляемом токе около 0,5 мкА и напряжении 1,8 В (эти данные соответствуют микроконтроллеру AT tiny 2313, который вполне пригоден для этих целей). Поэтому энергопотреблением в перерывах между сеансами измерений можно пренебречь.

Поскольку основным потребителем энергоресурсов является электронно-ионная ловушка, то для оценки общего энергопотребления датчика за един сеанс измерений будем учитывать лишь потребление тока ловушкой, но время её работы и потребляемый ток будем оценивать по максимуму: время сеанса измерений равным 2 с при максимальном потребляемом токе 100 мА и напряжении 9 В. Получаем энергопотребление на 1 сеанс измерений 16,2 ватт-секунды или 4,5 •10- ватт-часа. Следовательно, если даже включать датчик каждые 5 минут, то за время половины оборота спутника (когда он пролетает над ночным полушарием), т. е. за 45 минут пройдёт 9 сеансов измерений, а значит, потреблённая датчиком энергия составит 0,04 ватт-часа, что вполне приемлемо, поскольку в следующие полоборота датчик будет на солнечной стороне, и потери энергии восполнятся от солнечных батарей.

Малогабаритные аккумуляторные батареи (например, для малогабаритных видеокамер) имеют ёмкость 4 ампер-часа), т. е. за время пролёта по ночной стороне датчик будет расходовать всего 1 % энергии аккумулятора. В этом случае измерения будут проводиться через каждые 2400 км траектории полёта спутника.

Сам датчик после включения его по команде управляющего контроллера спутника сначала проводит самотестирование своего оборудования и наличие двусторонней связи с системой верхнего уровня, после чего приступает к первому сеансу измерений. Сеанс измерений происходит в следующей последовательности:

1. Мультиплексор измерительных каналов подключает напряжение питания (1000 В) к вакуумметрическому преобразователю. Мультиплексор пределов измерения измерителя тока выставляет максимальный предел измерения для данного канала 100 мкА и с темпом 1 измерение в секунду проводит измерения выходного тока. Если за первые 5 измерений выходной ток не достигает 5 мкА, то происходит переключение на предел измерения 10 мкА. Если за следующие 5 измерений ток не достигает 0,5 мкА, то происходит переключение на предел измерения 1 мкА, Если за следующие 5 измерений ток не достигает 50 нА, то происходит переключение на предел измерения 100 нА, и, наконец, если за следующие 5 измерений ток не достигает 5 нА, то происходит переключение на самый чувствительный предел 10 нА. Таким образом, максимальное время поиска оптимального предела измерения составит 25 с.

Далее измерения происходят с интервалами в 5 с. Если за следующие 5 измерений через интервалы по 5 с ток изменяется на величину не более ±1 нА, то измерение прекращается, микроконтроллер по этим 5 последним результатам вычисляет среднее значение и сохраняет его в оперативной памяти. Если же изменение тока за 5 последних измерений превысят +1 нА (это может произойти, если за всё это время преобразователь не вышел на стационарный режим), то циклы из 5 последовательных измерений с интервалами по 5 с повторяются. Если же при этом ток превысит 10 нА, то происходит переключение на предел измерения 100 нА и на нём продолжаются аналогичные циклы по 5 измерений в

каждом с темпом 1 измерение через 5 с, но критерием выхода на стационарный режим будет уже изменение тока, превышающее 3 нА.

Столь длительный выход на стационарный режим возможен, когда давление воздушной среды меньше 10-5 Па, что имеет место на высотах более 300 км.

Когда давление становится выше 10-5 Па (на высотах менее 300 км) выход на стационарный режим происходит быстрее, но алгоритм измерений остаётся таким же, т. е. вначале измерения производятся с темпом 1 измерение в секунду и при этом определяется нужный предел измерения. После выхода на нужный предел измерения темп измерений уменьшается до 1 измерения за 5 с и, если максимальное отклонение этих результатов не превышают 3 % от выставленного предела измерения, то выход на стационарный режим считается достигнутым, вычисляется среднее значение по этим пяти измерениям и сохраняется этот результат.

Критерием выхода преобразователя на стационарный режим на нижнем пределе измерения (10 нА) является не превышение изменений отсчётов по 5 последним измерениям, проводимым с интервалами в 5 с, на 1 нА, а на всех следующих пределах измерения - на 3 % от предела измерения.

2. После окончания измерения давления мультиплексор измерительных каналов подключает к источнику высокого напряжения все электроды ловушки, а измеритель тока последовательно подключается к выходам четырёх каналов электронно-ионной ловушки. При измерениях тока ловушки уже не требуется ожидать выхода этих токов на стационарный режим, поскольку стационарный режим в ловушке устанавливается практически мгновенно. Поэтому суммарное время измерения по всем каналам ловушки, даже если проводить серию из 5 или 10 измерений по каждому каналу вряд ли займёт более одной секунды (для оценки энергопотребления мы его приняли равным двум секундам). Результаты измерений после обработки их микроконтроллером пересылаются в систему

верхнего уровня. В общей памяти микроконтроллера спутника они накапливаются и во время сеанса связи с наземной станцией по радиоканалу транслируются на Землю.

ВЫВОДЫ

1. Описана конструкция совмещённого первичного преобразователя плотности и состава верхних слоёв атмосферы, включающая объединённую в одном корпусе систему из инверсно-магнетронного вакуумметрического преобразователя концентрации нейтральных частиц и электростатической электронно-ионной ловушки концентрации заряженных частиц воздушной среды.

2. Проведен расчёт токов измерительных каналов электронно-ионной ловушки на разных высотах для верхней системы электродов ловушки, показавший, что электронная составляющая токов примерно в 50 раз превосходит ионную составляющую токов на соответствующих высотах, а диапазон их изменений для разных высот примерно 10-кратный.

3. В соответствии с результатами расчётов токов верхней системы электродов ловушки на основании геометрии ловушки и оценки вероятности появления частиц с энергией выше 40 кэВ, скорость которых направлена вдоль зазоров между верхними электродами ловушки, проведена оценка возможного диапазона величин токов нижней системы электродов, которые оказались примерно на два порядка ниже соответствующих величин токов верхней системы электродов.

4. На основе полученных результатов с учётом примерно с 10-кратных запасов в обе стороны определены необходимые диапазоны измерения токов всех измерительных каналов ловушки.

5. Проведен синтез структуры электронной части датчика. В целях экономии потребляемых энергоресурсов и аппаратных средств принята периодическая

процедура измерений с последовательным подключением измерительных каналов к многопредельному измерителю токов. При этом с учётом того факта, что наиболее длительной процедурой является измерение тока вакуумметрической части преобразователя, а основным потребителем энергоресурсов является канал измерения электронной составляющей тока верней системы электродов ловушки, принята раздельная процедура подключения к источнику высокого напряжения вакуумметрической части и ловушки.

6. Проведено обоснование раздельной последовательной процедуры измерений концентраций нейтральных, отрицательно и положительно заряженных частиц измерительными соответствующими измерительными каналами, разработана процедура проведения этих измерений и проведена оценка энергопотребления датчика за один сеанс измерений.

7. С учётом скорости движения спутника по орбите проведена оценка приемлемой периодичности сеансов измерений. Показано, что вполне приемлемой, исходя из щатрат энергоресурсов является периодичность сеансов измерений через каждые 5 минут полёта.

В диссертационной работе решена поставленная научно-техническая задача и получены следующие основные результаты:

1. Разработана математическая модель электрофизических процессов в ва-куумметрическом ионизационном преобразователе, на основе которой проведена оптимизация конструктивных параметров вакуумметрического ионизационного преобразователя и режимов его работы в необходимом диапазоне измеряемых давлений при минимизации потребляемой мощности от источника электропитания в условиях автономного функционирования на малых космических аппаратах.

2. Разработана принципиальная конструкция электронно-ионной ловушки заряженных частиц для вакуумметрического преобразователя с учётом устранения влияния этих заряженных частиц на результаты измерений плотности воздушной среды.

3. Разработана математическая модель функционирования электронно-ионной ловушки заряженных частиц для вакуумметрического преобразователя и проведена оптимизация конструктивных параметров ловушки заряженных частиц, устраняющая искажения показаний вакуумметрического преобразователя и раздельно определяющая концентрацию положительно и отрицательно заряженных частиц.

5. Разработана общая конструкция, синтез структуры электронной части комбинированного многофункционального датчика плотности и состава верхних слоёв атмосферы, размещенного на нано-спутнике и пригодного для длительного автономного функционирования.